автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей

005533083

На правах рукописи

Пяткова Елена Владимировна

МЕТОДИЧЕСКОЕ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ УГРОЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ С ПОМОЩЬЮ БАЙЕСОВСКИХ СЕТЕЙ

Специальность 05.13.18 -Математическое моделирование, численные методы и

комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 СЕН 2013

ИРКУТСК-2013

005533083

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систем энергетики им. Л.Л. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Массель Людмила Васильевна

Официальные оппоненты: Краковский Юрий Мечеславович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Иркутский государствешнлй университет путей сообщения», профессор

Дунаев Михаил Павлович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

Томский политехнический университет», 634050, г. Томск, проспект Ленина, 30

Защита диссертации состоится 3 октября 2013 г. в 9.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 003.017.01 при ИСЭМ СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к. 355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭМ СО РАН.

Автореферат разослан 2 сентября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 003.017.01: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

/

А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Во-первых, значимостью исследований и обеспечения энергетической безопасности (ЭБ)1. Проблема обеспечения энергетической безопасности включает в себя задачи идентификации и анализа угроз энергетической безопасности, а также формирования набора мероприятий по их предупреждению либо ликвидации результатов проявления негативных возмущений в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК). Энергетическая безопасность - атрибут не столько самой энергетики, сколько экономики, общества, государства в целом. Для предотвращения и преодоления угроз разного рода предполагается использование не только производственно-технических и экономических средств, но также и управленческо-правовых. Процесс анализа угроз является весьма сложным в силу взаимосвязанности энергетики практически со всеми сферами деятельности государства.

Отсюда следует второй аспект, определяющий актуальность данной работы. Все угрозы энергетической безопасности не только связаны между собой, но и тесно взаимосвязаны с угрозами других составляющих национальной безопасности (например, экологической, общеэкономической, внутри- и внешнеполитической). Факторы, обусловливающие угрозы энергетической безопасности, тесно связаны между собой и зачастую не очевидным для исследователя образом. Кроме того, уникальность рассматриваемых негативных явлений вызывает сложности при их моделировании и оценке вероятностей таких явлений и их последствий для энергетики. В этих условиях необходимо применять все возможные взаимодополняющие подходы к измерению риска возникновения неблагоприятных ситуаций. Такие подходы могут базироваться на анализе статистических данных об авариях и чрезвычайных ситуациях, моделировании условий возникновения и развития крупномасштабных возмущений в системах энергетики с тяжелыми последствиями, использовании экспертных оценок, в том числе субъективных вероятностей различных событий и явлений. Все эти предпосылки приводят к необходимости развития имеющегося и создания нового инструментария интеллектуальной поддержки этих исследований и интеграции новых качественных методов анализа в исследованиях проблем ЭБ с традиционными численными расчетами. Одним из инструментов интеллектуальной поддержки, позволяющих оценивать вероятностные отношения между различными явлениями, является моделирование ситуаций с помощью байесовских сетей (или байесовских сетей доверия, БСД).

Методологические основы исследований проблем энергетической безопасности заложены в работах Ю.Н. Руденко, В.В. Бушуева, Н.И. Воропая, Л.Д. Криворуцкого,

1 Под «энергетической безопасностью» страны понимается состояние защищенности ее граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо- и энергоснабжения [Энергетическая безопасность. Термины и определения / Отв. ред. Н.И. Воропай. - М.: 2005. - 53 е.].

А.И. Татаркина, A.A. Куклина, С.М. Клименко, Г.Б. Славина, С.М. Сендерова, М.Б. Чельцова и др.

Традиционно в этих исследованиях используется количественный подход, опирающийся на проведение вычислительных экспериментов (ВЭ) с использованием специализированных программных комплексов. Предварительная же работа по анализу состояния ЭБ и составлению сценариев проведения ВЭ проводится на экспертном уровне без привлечения средств формализации данного процесса. Для решения этой задачи в отделе живучести и безопасности систем энергетики ИСЭМ СО РАН была предложена двухуровневая технология исследования проблем ЭБ. На верхнем (качественном) уровне она интегрирует в рамках интеллектуальной ИТ-среды программные средства онтологического, когнитивного и событийного моделирования2. На нижнем (количественном) уровне содержит мультиагентный программный комплекс ИНТЭК-М. Предложено объединение вышеупомянутых программных инструментов в рамках интеллектуальной ИТ-среды поддержки исследований проблем ЭБ. Основы этого подхода заложены Л.В. Массель, А.Г. Масселем, Т.Н. Ворожцовой, Н.Н, Макагоновой, B.JI. Аршинским, Д.А. Фартышевым.

Автором предлагается дополнить разработанную технологию проведения качественного этапа исследований инструментом байесовских сетей для оценки вероятности возникновения угроз и чрезвычайных ситуаций (рисков в узком смысле), их возможных последствий и оценки мероприятий, направленных на повышение уровня ЭБ. Основы инструмента графических вероятностных моделей (в частности, байесовских сетей) разрабатывались Дж. Перлом, Р. Дж. Кауэллом и др. В соответствии с определением Дж. Перла байесовской сетью является графическая вероятностная модель, отображающая вероятностные зависимости набора переменных и позволяющая проводить вероятностный вывод с помощью этих переменных, т.е. оценку состояния некоторых узлов сети при поступлении в систему свидетельств о состоянии других ее узлов. В России этот аппарат рассматривался В.И. Городецким, A.JI. Тулупьевым и др.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки нового подхода к моделированию угроз энергетической безопасности с целью определения рисков их возникновения. Для этого автором предлагается проводить моделирование угроз с помощью аппарата байесовских сетей (БСД-моделирование угроз) и комплекса проблемно-ориентированных программ для его поддержки.

Объектом исследования является процесс анализа угроз энергетической безопасности и формирования набора мероприятий по их предупреждению либо ликвидации их последствий.

2 Массель Л.В. Применение онтологического, когнитивного и событийного моделирования для анализа развития и последствий чрезвычайных ситуаций в энергетике / Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, №2,2010. - с. 34-43.

Предметом исследования являются методы моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.

Целью работы является разработка методов и алгоритмов, реализация их в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей и интеграция разработанного программного обеспечения в интеллектуальную ИТ-среду для исследований проблем энергетической безопасности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ предметной области, существующих технологий и инструментальных средств исследований проблем энергетической безопасности.

2. Обосновать целесообразность применения инструмента байесовских сетей в исследованиях проблем энергетической безопасности.

3. Разработать методику моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.

4. Разработать новую технологию постановки и реализации вычислительных экспериментов в области исследований проблем ЭБ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций (ЧС) на основе модификации существующей двухуровневой технологии исследований проблем ЭБ, для чего необходимо:

- выполнить проектирование и реализацию комплекса проблемно-ориентированных программ для БСД-моделирования угроз энергетической безопасности;

- разработать методику усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанную на интеграции про1раммных средств БСД-моделирования угроз ЭБ в интеллектуальную ИТ-среду.

5. Выполнить комплексное исследование работы энергетических отраслей в условиях чрезвычайных ситуаций, при реализации угроз ЭБ, с применением разработанных методики, технологии и комплекса проблемно-ориентированных программ.

Методами и средствами исследования являются методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики, методы ситуационного анализа, онтологического, когнитивного и событийного моделирования, математический аппарат байесовских сетей доверия, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование).

Новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые предложено использовать байесовские сети доверия для моделирования угроз ЭБ и выполнена формализованная постановка задач оценки:

- вероятности возникновения угроз и чрезвычайных ситуаций в энергетике и их возможных причин,

- масштабов последствий их реализации,

- эффективности мероприятий по их предупреждению или ликвидации их по-

следствий.

2. Впервые предложена методика моделирования угроз энергетической безопасности на основе аппарата байесовских сетей с использованием экспертных оценок и статистических данных; выполнено построение БСД-моделей конкретных угроз ЭБ.

3. Разработана новая технология постановки и реализации ВЭ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций, основанная на двухуровневой технологии исследований ЭБ, включающая:

- ранее отсутствовавшее специальное алгоритмическое обеспечение комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей;

- методику усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанную на интеграции программных средств БСД-моделирования угроз в интеллектуальную ИТ-среду, и обеспечивающую задание корректировок информационных моделей в ПК ИНТЭК-М на основе результатов БСД-моделирования.

Практическая значимость заключается в разработке нового комплекса проблемно-ориентированных программ на основе байесовских сетей доверия и его применении для поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности. Это позволяет делать выводы о вероятности наступления чрезвычайных ситуаций, оценивать возможные последствия и определять набор мероприятий по их устранению. Применение предложенных методов, алгоритмов и технологии проведения ВЭ повышает эффективность исследований проблем ЭБ за счет использования интеллектуальных технологий наряду с традиционными количественными подходами.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении) для решения задач анализа основных существующих и возможных в перспективе до 2030 г. факторов формирования угроз энергетической безопасности.

Результаты, диссертационной работы применены при выполнении:

- проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследований проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009-2011);

- проекта СО РАН № 4.3.1.3 «Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследоваггий в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений» (2007-2009);

- проекта СО РАН № IV.3L2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 1У.31.2. «Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных

научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (2010-2012);

- интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН и НАН Республики Беларусь №18 «Методы построения интеллектуальной инструментальной среды для поддержки принятия решений при определении стратегии развития энергетики России и Беларуси с позиций энергетической безопасности» (2012-2013);

- проектов по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (20102012), №11-07-00192 (2011-2013), №12-07-00359 (2012-2013).

Результаты диссертационной работы были включены в разработку «Интеллектуальная инструментальная среда для поддержки принятия решений при обосновании вариантов развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области с учетом требований энергетической безопасности», которая стала лауреатом областного конкурса в сфере науки и техники 2012 года в номинации «За лучшие научно-технические и инновационные разработки молодых ученых».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 82-ом и 84-ом заседаниях Международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», Украина, 2010 г., Азербайджан, 2012 г.; IV Всероссийской конференции с международным участием «Винеров-ские чтения», г. Иркутск, 2011 г.; XV - XVIII Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010-2013 гг.; Российско-монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению, Монголия, п. Ханх, 2011 г.; XL-XLIII конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2013 г., а также на семинарах и заседаниях секций Ученого совета ИСЭМ СО РАН.

Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 13 работ, в т.ч. 2 из них - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание степени кандидата технических наук.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 101 наименования и двух приложений. Общий объем диссертации - 178 страниц, основной текст изложен на 150 страницах, включает 55 таблиц и 41 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, указываются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, также приводятся структура и краткое содержание работы.

Первая глава работы посвящена анализу предметной области и обоснованию

необходимости разработки нового подхода к моделированию угроз энергетической безопасности с целью оценки вероятности их наступления.

Раскрывается актуальность исследований и суть анализа угроз энергетической безопасности. Дается определение энергетической безопасности и его связь с понятиями надежности и живучести систем энергетики. Приводятся понятия чрезвычайных и критических ситуаций. Угрозы энергетической безопасности определяются как совокупность условий и факторов, создающих экстремальные ситуации в системах топливо- и энергоснабжения потребителей, представляющих опасность для нормального функционирования этих систем и затрагивающих жизненно важные интересы личности, общества и государства. Описывается взаимосвязь и взаимообусловленность стратегических угроз ЭБ. Приводится общая схема исследований развития топливно-энергетического комплекса с учетом требований ЭБ.

Далее рассматриваются существующие подходы, технологии и инструментальные средства поддержки исследований энергетической безопасности, как для проведения качественного анализа, так и выполнения численных расчетов. Указывается на применение сценарного подхода при выполнении численных расчетов, что свойственно большинству инструментов исследований. В том числе, описываются разработанные в ИСЭМ СО РАН двухуровневая технология исследований ЭБ и интеллектуальная ИТ-среда3, которая поддерживает проведение ситуационного анализа. Далее поставлена проблема оценки вероятности наступления чрезвычайных ситуаций, масштабов их реализации и эффективности предполагаемого набора мероприятий по их предупреждению или ликвидации.

В выводах подчеркивается необходимость формализации этапа качественного анализа угроз с целью использования экспертных суждений относительно взаимовлияния обусловливающих угрозы факторов и вероятности их наступления. Автором предлагается использование для этой цели графических вероятностных моделей, а именно - байесовских сетей.

Во второй, главе автором разработано методическое обеспечение моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.

Байесовская сеть доверия определяется как направленный ациклический граф такой, что4:

1) вершинами графа являются элементы множества случайных переменных X = [Х1,Х2, —,Хп}, которые могут быть как дискретными, так и непрерывными;

2) вершины графа X = [Х1,Х2, ...,Хп} соединяются попарно ориентированными ребрами и описывают отношения условной независимости. Если ребро направлено от вершины А к В, то вершина А называется родителем В. Множество всех родителей вершины X¡, £ = 1,...,п обозначается Рагеп^;

3 Разработка выполнена в лаборатории Информационных технологий в энергетике ИСЭМ СО РАН под руководством Л.В. Массель.

4 Рассел С., Норвиг, П. Искусственный интеллект: современный подход, 2-е изд.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. — 1408 с.

3) каждая вершина Xt,i = 1,...,п характеризуется распределением условных вероятностей P(.Xt\ParentSi), которое количественно оценивает влияние родителей на эту переменную.

Для задания байесовской сети для набора переменных X = [Х^Хх,... ,Хп] необходимо определить5:

1) структуру сети S, которая отражает набор предположений об условной независимости набора переменных X,

2) набор Р распределения вероятностей для каждой переменной из X.

Вместе эти компоненты определяют совместное распределение вероятности на наборе X. Обозначим Xlti = 1, ...,п переменные (вершины графа), Parentsl,i = 1, ...,п - родителей вершины Xi и переменные, которые закреплены за ними, а x0i = 1, ...,п, и parentSi,i = 1, ...,п - конкретные значения переменных Хи i = 1,..., п.. При заданной структуре сети S совместное распределение вероятностей для X будет выглядеть следующим образом:

п

P(xlt ...,хп) = J~Jp(Xi|parents() (1)

¿=1

Далее в главе приводится обоснование возможности применения инструмента байесовских сетей для анализа угроз энергетической безопасности. Автором выполнена формализация постановки задачи моделирования угроз ЭБ с использованием байесовских сетей доверия (далее будем называть их БСД-моделями угроз ЭБ).

В общем виде БСД-модель угроз энергетической безопасности (модель может описывать несколько угроз или ЧС) выглядит следующим образом. Байесовская сеть задается для набора переменных

* = {ХС,ХТ,Х',ХМ,Х*}, (2)

где

- Xе = {xfljlj - переменные, соответствующие негативным факторам, являющимся причинами угроз и чрезвычайных ситуаций,

- Хт = {xf}^ - переменные для обозначения угроз или ЧС,

- X1 = {хЦ* - переменные, соответствующие показателям функционирования

ТЭК,

- Xм = {Х?} - переменные для мероприятий по обеспечению ЭБ,

- XR = ет=1 - переменные для ресурсов, необходимых для реализации набора мероприятий.

БСД-модель угроз ЭБ состоит из следующих компонентов:

1) структуры сети S, такой, что

5 Heckerman, D. А tutorial on leaming with Bayesian networks // Innovations in Bayesian Networks, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. - pp. 33-82.

Parents',[ = [Xj)'j=i U

Parentsj = {xnliu{x-fqli,

Parentsf = {X»}Qq33, (3)

Parents% = {«=1,

2) набора P распределения вероятностей для каждой переменной из X. На рис. 1 представлен пример возможной структуры сети, в которой Xе = {Причина},Хт = [Угроза], X1 = {Показатель}, Xм = {Компенсация} XR = {Ресурс}. Конечно, реальные примеры могут иметь большее число показателей, угроз, их причин, мероприятий и ресурсов.

Причина

отсутствует присутствует 54 а

45.2

1

Угроза

отсутствует слабая сильная 5 3

21.5 18.9 1

Ресурс

недостаточно 27.8 достаточно 34.0 в избытке 38.2 $

Компенсация

отсутствует 25.8 средняя 4Z3 большая 31.9 1

z:

| Показатель

НИЗКИЙ 0 средний 0 высокий : : Ш 11 И

Рис. 1. Пример структуры БСД-модели угрозы ЭБ

Автором ставятся следующие задачи использования БСД-моделей в рамках исследования проблем ЭБ.

1. При прямом ходе вывода (от причин к следствиям) решаются три задачи.

1.1. Оценка вероятности Р(х/) реализации угрозы или чрезвычайной ситуации.

1.2. Оценка вероятных последствий реализации угрозы Р(х£).

1.3. Оценка эффекта от мероприятий по обеспечению энергетической безопасности P(x^L ).

2. При обратном ходе (от следствий к причинам) задаются желаемые значения целевых показателей и, с использованием свойства d-разделимости6, определяются искомые значения негативных факторов и/или размеров компенсации.

6 Два узла направленного графа Xj и Х2 называются d-разделенными, если для всякого пути из Xj в Х2 (здесь не учитывается направление ребер) существует такой промежуточный узел Y (не совпадающий ни с Хг, ни с Х2), что либо связь в пути в этом узле последовательная или расходящаяся, и узел Y получил означивание, либо связь сходящаяся, и ни узел Y, ни какой-либо из его потомков означивания не получил. В противном случае узлы называются d-связаннъши [Тулупьев А.Л., Нико-ленко С.И., Сироткин A.B. Байесовские сети: Логико-вероятностный подход. - СПб.: Наука, 2006. -С. 341-342].

2.1. Оценка возможных причин реализации угрозы или чрезвычайной ситуации Р Ос/7).

2.2. Оценка необходимых значений мероприятий по обеспечению энергетической безопасности Р(х§) или необходимых ресурсов Р(х%).

2.3. Оценка масштабов реализации угрозы Р{х]\

Приводится разработанная автором методика моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей, включающая перечисленные ниже этапы.

1. Постановка задачи. Определяется объект моделирования, формулируются цели и задачи моделирования.

2. Выбор понятийного пространства задачи. Подбираются будущие переменные модели: факторы, обусловливающие исследуемую угрозу ЭБ, ее возможные последствия для ТЭК и набор мероприятий по ее предупреждению или ликвидации последствий с необходимыми ресурсами.

3. Задание причинно-следственных отношений между выделенными факторами. В узлах сети располагаются выделенные переменные, а связи между ними задаются направленными ребрами графа.

На последующих двух этапах выполняется заполнение модели информацией об условных распределениях вероятностей переменных.

4. Определение взаимно исключающих состояний переменных сети. Для каждой переменной указывается множество состояний, которые она может принимать (они могут иметь вид как нечетких характеристик события, так и числовых значений: дискретных или дискретизированных непрерывных).

5. Задание таблиц условных вероятностей. Для каждого узла сети, имеющего родителя, указываются оценки вероятностей различных его состояний в зависимости от значений, которые могут принимать его родители. Эта информация задается на основе суждений эксперта или имеющейся статистической информации.

6. Проведение рассуждений на модели. В соответствии с выделенными целями моделирования осуществляется прогностический или диагностический вывод.

Методика моделирования в нотации ГОЕРО представлена на рис. 2.

Приводится краткий аналитический обзор программных средств, реализующих работу с байесовскими сетями (полный обзор приводится в Приложении 1). По результатам обзора делается вывод о необходимости разработки собственного комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1, реализующего работу с байесовскими сетями для моделирования угроз ЭБ, с целью обеспечения концептуальной целостности в рамках существующей интеллектуальной ИТ-среды, в которую необходимо интегрировать разрабатываемое программное средство.

Третья глава посвящена вопросам разработки алгоритмического и программного обеспечения для моделирования угроз ЭБ с помощью байесовских сетей и усовершенствования численных расчетов за счет интеграции разработанного программного

Рис. 2. Декомпозиция первого уровня методики моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей в нотации ГОЕРО

средства Вау№1 в существующую ИТ-среду.

Сформулированы системно-концептуальные соглашения, основными являются следующие: 1) обеспечение совместимости разрабатываемого про1-раммного средства Вау№1 с существующими компонентами интеллектуальной ИТ-среды (взаимодействие с .Гауа-библиотеками, поддерживающими онтологическое, когнитивное и событийное моделирование: ОтоМар, Со§Мар и Еуе^Мар); 2) совместимость с ПК ИНТЭК-М на этапе внесения корректировок в используемые для численных расчетов модели; 3) автоматизация процесса создания БСД-моделей на дальнейших этапах разработки.

Далее рассмотрены требования к интеграции инструмента байесовских сетей в интеллектуальную ИТ-среду исследований проблем энергетической безопасности. Расширенная схема интеллектуальной ИТ-среды после включения комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1 приведена на рис. 3.

(^Средство интеллестного преобразования и контроля данных^)

Рис. 3. Расширенная схема интеллектуальной ИТ-среды

Автором рассматриваются вопросы проектирования и разработки алгоритмического и программного обеспечения комплекса проблемно-ориентированных программ

13

ВауШ.

В состав алгоритмического обеспечения включены разработанные автором алгоритмы: 1) задания структуры БСД-модели; 2) задания взаимно исключающих состояний переменных; 3) редактирования таблиц условных вероятностей; 4) формирования корректировок информационной модели ПК ИНТЭК-М с помощью БСД-моделей (обеспечивает решение задачи усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем энергетической безопасности); 5) формирования отчетов по результатам проведения экспериментов с использованием БСД-моделей. Ниже на рис. 4 приведен один из них: алгоритм задания структуры БСД-модели.

Добавлены не все узлы

Добавлены не все связи

Начало

Добавление сначала узлов, а затем связей между ними

Добавление узлов одновременно со связями родитель-потомок

г~

Добавление узла

Добавление узла

' Назначение или / / редактирование / имени

/ Назначение или / редактирование имени

J

Добавление потомка

Добавление родителя

Добавлены все узлы

Добавление связи

і 1 т

Добавление узла- Добавление узла-

потомка родителя

Добавлены все связи

Лишняя связь

Удаление связи

Все связи добавлены и верны

. Неверно определено | отношение родитель-потомок

Изменение направления связи

Конец

Рис. 4. Алгоритм задания структуры БСД-модели

Далее описывается процесс разработки программного обеспечения (комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1) для построения БСД-моделей. Архитектура программного средства ВауЫе! приведена на рис. 5. Для создания, просмотра, редактирования и проведения рассуждений на байесовских сетях доверия предложено разработать графическую среду для работы с байесовскими сетями, включающую базовые графические элементы, возможность задания таблиц условных вероятностей для заполнения сети и задания свидетельств переменным для проведения вероятностного вывода.

Для организации хранения разработанных сетей предлагается использовать Ре-позитарий ИТ-инфраструктуры ИСЭМ СО РАН7. В программной реализации используется свободно-распространяемая 1ауа-библиотека ипВВауеэ, реализующая необходимые алгоритмы для работы с байесовскими сетями доверия (алгоритмы вероятностного вывода и обучения).

Репозитарий

ш

Хранилище

Рис. 5. Архитектура программного средства BayNet, реализующего работу с байесовскими сетями

Описанные выше авторские алгоритмы реализуются в трех основных модулях BayNet: графическая оболочка BayNet GUI, модуль генерирования отчетов и модуль корректировок.

Автором предлагается методика усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанная на интеграции программных средств моделирования угроз ЭБ в интеллектуальную ИТ-среду.

Основные этапы методики:

1. БСД-моделирование угрозы энергетической безопасности.

2. Событийное моделирование угрозы ЭБ и получение возможных сценариев ее развития и наложение компенсационных мероприятий.

3. Выбор переменных БСД-модели угрозы ЭБ. значения которых будут использоваться для корректировки значений модели оптимизации развития ТЭК.

4. Выбор коэффициентов для корректировки (установление связи с переменными) в информационных моделях программного комплекса (например, ПК ИНТЭК-М).

5. Формирование дерева сценариев численных расчетов: наложение последствий реализации угрозы и дальнейшее применение компенсационных мероприятий.

6. Запуск программного комплекса (например, ПК ИПТЭК-М) и проведение вычислительного эксперимента по сформированным сценариям.

Суть усовершенствования заключается в том, что ранее численные корректиров-

7 Разработка репозитария выполнена в лаборатории Информационных технологий в энергетике ИСЭМ СО РАН А.Н. Копайгородским под руководством Л.В. Массель.

ки определялись эмпирически, в том числе на основе экспертных суждений - интерпретаций результатов событийного и/или когнитивного моделирования. Автором предложено использовать количественные экспертные оценки, полученные на основе использования БСД-моделей.

Далее рассматривается предложенная автором технология проведения комплексных вычислительных экспериментов в исследованиях проблем энергетической безопасности. Эта технология базируется на двухуровневой технологии исследований проблем ЭБ с использованием интеллектуальной ИТ-среды. Вклад автора заключается как в развитии существующей технологии за счет включения программного средства моделирования угроз ЭБ с помощью байесовских сетей доверия Вау№1 (рис. 5), так и в организации и проведении комплексного вычислительного эксперимента, в котором совместно используются все инструментальные средства ИТ-среды, что обеспечивает новое качество исследований: появляется возможность проведения более глубокого всестороннего анализа угроз ЭБ на качественном уровне, но с привлечением экспертных оценок.

Ниже перечислены основные этапы технологии проведения комплексных вычислительных экспериментов.

I уровень:

1. Построение онтологий с целью структурирования и классификации используемой в исследованиях информации.

2. Анализ прецедентов ЧС в энергетике с целью выявления и детализации угроз

ЭБ.

3. Когнитивное моделирование угроз энергетической безопасности и чрезвычайных ситуаций в энергетике.

4. Моделирование угроз ЭБ и ЧС в энергетике с помощью БСД с целью оценки вероятности их возникновения, масштаба их последствий и эффективности мероприятий по обеспечению ЭБ.

5. Событийное моделирование развития чрезвычайных ситуаций и анализ их последствий.

II уровень:

1. Передача результатов качественного анализа лицу, принимающему решения (ЛПР) в области обеспечения ЭБ, или в программный комплекс ИНТЭК-М.

1.1. Формирование сценариев вычислительного эксперимента с использованием событийных моделей.

1.2. Корректировка значений переменных модели при наложении полученных сценариев на базовый вариант, использующийся для расчетов, за счет результатов, полученных при моделировании угроз ЭБ с помощью байесовских сетей.

2. Проведение вычислительных экспериментов, с целью количественной оценки вариантов развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности.

3. Интерпретация и обработка экспертом результатов ВЭ и передача их ЛПР для

поддержки принятия решений в области обеспечения ЭБ.

Основные технологические этапы и инструментальные средства их поддержки представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Технология и инструментальные средства интеллектуальной поддержки принятия __решений в исследованиях и обеспечении ЭБ

Технологический этап Инструментальные средства поддепжки Результат этапа

I уровень. Проведение качественного анализа.

Построение онтологий OntoMap Возможно использование сторонних инструментов: СМар-Tools, Protégé и др. Онтологии предметных областей

Анализ прецедентов ЧС в энергетике Экспертная система «Emergency» Наиболее вероятные (часто встречающиеся) ЧС в энергетике

Когнитивное моделирование угроз ЭБ Библиотека CogMap Когнитивные модели угроз ЭБ

Событийное моделирование развития ЧС в энергетике Библиотека EventMap Событийные модели развития ЧС в энергетике

Моделирование угроз ЭБ и ЧС в энергетике с помощью БСД Инструментальное средство BayNet Модели угроз ЭБ и ЧС в энергетике, построенные с помощью БСД

Хранение моделей, разработанных с помощью инструментальных средств ИТ-среды Репозитарий ИТ-инфраструктуры Хранение разработанных моделей

II уровень. Проведение количественного анализа.

Передача результатов качественного анализа ЛПР СозМар, ЕуетМар, ВауХс» Когнитивные и событийные карты, байесовские сети и комментарии к ним

Передача результатов качественного анализа в программный комплекс ИНТЭК-М Библиотеки CogMap и ЕуегПМар (ХМЬ-файлы), программный компонент для автоматического синтеза математических моделей Исходная информация для ПК ИНТЭК-М

Выполнение вычислительных экспериментов (ВЭ) ПК ИНТЭК-М Варианты развития ТЭК с учетом требований ЭБ

Интерпретация и обработка экспертом результатов ВЭ Информация для принятия решений ЛПР

В графическом виде модифицированная схема поддержки принятия решений в исследованиях проблем ЭБ иллюстрируется рис. 6

Обозначения: {0} - множество онтологий, {£} - множество описаний прецедентов чрезвычайных ситуаций, {Мс} - множество когнитивных моделей, {Мв} - множество БСД -моделей, {М5} — множество событийных моделей, {£>/} — информация, необ-

ходимая для поддержки принятия решений при выборе стратегии проведения вычислительного эксперимента, {1>к} - информация, полученная в результате проведения вычислительных экспериментов и предназначенная для поддержки принятия решений в области обеспечения энергетической безопасности, Р - программный комплекс ИНТЭК-М для проведения количественных расчетов (обоснования вариантов развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности), Э - эксперт-исследователь, ЛПР - лицо, принимающее решения.

Рис. 6. Схема поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении ЭБ с использованием интеллектуальной ИТ-среды

В четвертой главе рассматривается применение разработанных методов, программного обеспечения и технологии проведения комплексных вычислительных экспериментов. Рассматриваются построенные автором БСД-модели конкретных угроз ЭБ: «Старение электрогенерирующего оборудования», «Недостаток инвестиций в нефтедобывающую промышленность» и «Похолодание».

Приводится БСД-модель угрозы «Старение электрогенерирующего оборудования», приводящей к возникновению аварийных ситуаций в электроэнергетической системе. Полученные результаты экспериментов на построенной БСД-модели показывают, что повышение объемов капвложений приводит к повышенным уровням демонтажа и ввода оборудования, при этом обновление более высокими темпами (по сравнению с демонтажем) может привести к незначительному повышению аварийности за счет ввода совсем нового оборудования, но при этом в достаточной степени снижает показатель аварийности, по сравнению с первоначальными значениями.

Далее рассматривается БСД-модель угрозы «Недостаток инвестиций в нефтедобывающую промышленность», которая приводит к отставанию приростов запасов нефти от объемов добычи. По результатам проведенного моделирования становится видно, что при увеличении объемов инвестиций и направлении их на повышение объемов разведочного бурения и его эффективности, получены значения прироста запасов нефти, которые покрывают растущие объемы добычи.

Технология проведения комплексного вычислительного эксперимента рассматривается на примере угрозы «Похолодание». На первом этапе разрабатывается онтология, описывающая взаимосвязи основных факторов в рамках угрозы похолодания.

На втором этапе с помощью инструментального средства Со;*Мар выполняется когнитивное моделирование угрозы с описанием основных зависимостей между негативными факторами, показателями ТЭК и мероприятиями по обеспечению энергетической безопасности.

На основе полученной когнитивной карты построена БСД-модель, описывающая данную угрозу (рис. 7).

Снижение температуры ил, °С

0 40

1 30

2 20

3 10

4 0

5 0

Увеличение потребления т/з, Ч

0 40

0-4 15

4-8 25

8-12 15

12-16 5

10-20 0

Увеличение потребления зЬ.%

0 40

0-2 15

2-4 25

15

5-« 5

8-10 0

Потребление тУэ. тыс. ГКал

6000-10000 10

10000-14000 40

14000-18000 40

18000-22000 10

I

Дефицит т/э, тыс. ГКал

-5000 - -4000 0

-4000 - -3000 0

-3000 --2000 0

-2000- -1000 0

-1000 - 0 0

0 ¿0

0-1000 35

1000-2000 21

2000-3000 4

3000-4000 0

4000-5000 0

Дефицит Э1х или *Вт*ч

-5000--4000 0

-4000 - -3000 0

-3000--2000 0

-2000--1000 0

-1000 -0 0

0 40

0-1000 21

1000-2000 26

2000 3000 11

3000-4000 2

4000-5000 0

/в. выработки т/э на котельных, т

0 100

о-юоо 0

1000-2000 0

2000-3000 0

3000-4000 0

4000-5000 0

Ув. выработки т/э на ТЭЦ, тыс. ГК

0 100

0-1000 0

1000-2000 0

2000-3000 0

3000-4000 0

4000-5000 0

'а выраооки э/э на тэс. ыян кв

ПР1Р86ЛВНН9 )/3, МЛН .ИГЧ

Рис. 7. БСД-модель угрозы похолодания Далее для формирования сценария реализации мероприятий с использованием

инструментального средства Еуег^Мар разрабатывается событийная модель. Управляющими воздействиями, которые позволят сформировать сценарий проведения вычислительного эксперимента и корректировки модели, являются фактор «Снижение температуры наружного воздуха» и набор ликвидационных мероприятий, приведенных справа на рис. 7.

После наложения управляющих воздействий (реализации угрозы и набора мероприятий) возможно формирование многовариантных сценариев вычислительного эксперимента. Использование БСД-моделей позволяет сократить возможное число сценариев за счет выбора только наиболее эффективных для ликвидации последствий угрозы. На полученной БСД-модели угрозы похолодания проведены эксперименты, целью которых была оценка требуемых объемов увеличения выработки тепла и электроэнергии (заданные свидетельства приведены в таблице 2).

Таблица 2.

Свидетельства при проведении эксперимента на БСД-модели угрозы похолодания

Переменные Значения Вероятности

Понижение температуры наружного воздуха, °С 0 40%

1 30%

2 20%

3 10%

Потребление теплоэнергии, тыс. ГКал 14000-18000 100%

Потребление электроэнергии, млн кВт*ч 21000-22000 100%

Дефицит теплоэнергии (для всех переменных), тыс. ГКал 0 100%

Дефицит потребления электроэнергии (для всех переменных), млн кВт*ч 0 100%

Результаты экспериментов позволили определить рекомендуемые значения увеличения выработки тепла (на котельных - 167 тыс. Гкал, на ТЭЦ - 457 тыс. Гкал) и электроэнергии на ТЭС (262 млн. кВт*ч). Таким образом, для такого сценария ликвидации последствий задействованы все варианты компенсирующих воздействий.

Следующим этапом является формирование численных корректировок информационной модели ПК ИНТЭК-М в соответствии с полученными в БСД-модели значениями увеличения потребления тепло- и электроэнергии и компенсирующих его воздействий. Заключительным этапом является проведение численных расчетов на сформированных информационных моделях.

В заключении перечислены основные результаты, полученные при выполнении данной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ предметной области и существующих технологий и инструментальных средств исследований проблем ЭБ.

2. Предложено применение инструмента байесовских сетей доверия, обоснована его целесообразность для моделирования угроз энергетической безопасности и вы-

полнена формализованная постановка задач построения БСД-моделей.

3. Разработана оригинальная методика моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей и разработаны БСД-модели конкретных угроз ЭБ.

4. Разработано ранее отсутствовавшее специальное алгоритмическое обеспечение комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1 для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей доверия.

5. Предложена новая технология постановки и реализации ВЭ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций, дополненная инструментом байесовских сетей и обеспечивающая совместное использование качественного анализа и численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, в рамках которой:

- на основе разработанного алгоритмического обеспечения выполнена реализация комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1 для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей;

- предложена методика усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанная на интеграции программных средств БСД-моделирования угроз ЭБ в интеллектуальную ИТ-среду.

6. Выполнено комплексное исследование работы энергетических отраслей в условиях ЧС при реализации угроз ЭБ с применением разработанных методики, технологии и комплекса проблемно-ориентированных программ.

7. Результаты диссертационной работы применены в проектах по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (2010-2012), №11-07-00192 (2011-2013), №12-07-00359 (2012-2013) и при выполнении хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Массель Л.В., Пяткова Е.В. Применение байесовских сетей доверия для интеллектуальной поддержки исследований проблем энергетической безопасности / Вестник ИрГТУ. - № 2(61). - 2012. - С. 8-13.

2. Пяткова Е.В. Технология комплексных исследований функционирования энергетических отраслей в условиях чрезвычайных ситуаций с применением байесовских сетей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, жури. 2013. № 8. П01: http://dx.doi.org/10.7463/0813.0603646

3. Пяткова Е.В. Направления развития технологии проведения вычислительного эксперимента в исследовании проблем энергетической безопасности. Системные исследования в энергетике / Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 40. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - С. 235-240.

4. Пяткова Е.В. Применение байесовских сетей доверия для анализа угроз энергетической безопасности. Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и

21

математические технологии в науке и управлении». Часть I. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010-С. 110-116.

5. Массель Л.В., Пяткова Е.В. Анализ угроз энергетической безопасности с применением байесовских сетей доверия / Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 61. Проблемы исследования и обеспечения надежности либерализованных систем энергетики / Отв. ред. Н.И. Воропай, А.Д. Тевяшев. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - С. 439-446.

6. Пяткова Е.В. Построение моделей угроз энергетической безопасности с использованием байесовских сетей доверия - Винеровские чтения / Труды IV Всероссийской конференции. Часть П. - Иркутск: ИрГТУ, 2011. - С. 217-224.

7. Пяткова Е.В. Применение байесовских сетей доверия в двухуровневой технологии исследований проблемы энергетической безопасности / Сборник тезисов Российско-монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению. - Иркутск, ИДСТУ СО РАН, 2011.-с. 71.

8. Пяткова Е.В. Интеграция инструмента байесовских сетей доверия в интеллектуальную ИТ-среду для поддержки исследований проблемы энергетической безопасности / Системные исследования в энергетике / Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 41. -Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - С. 140-147.

9. Аршинский В.Л., Пяткова Е.В. Совместное использование событийного и байесовского подходов к исследованию проблемы энергетической безопасности - Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть Ш. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - С. 129-137.

10. Пяткова Е.В. Технология качественного анализа в исследованиях проблем энергетической безопасности с использованием байесовских сетей доверия / Системные исследования в энергетике / Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 42. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012. - С. 140-147.

11. Пяткова Е.В. Использование байесовских сетей доверия на этапе качественного анализа в исследованиях проблем энергетической безопасности - Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XVII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть III. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012. - С. 116-122.

12. Пяткова Е.В. Использование байесовских сетей доверия для моделирования возможных последствий угроз энергетической безопасности / Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 63. Проблемы надежности систем энергетики в рыночных условиях / Отв. ред. Н.И. Воропай, Н.А. Юсифбейли. -Баку: АзНИиПИИЭ, 2013. -С. 519-529.

13. Пяткова Е.В. Моделирование угроз энергетической безопасности с использованием байесовских сетей доверия / Системные исследования в энергетике / Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 43. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2013. -С. 206-214.

Пяткова Елена Владимировна

МЕТОДИЧЕСКОЕ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ УГРОЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ С ПОМОЩЬЮ БАЙЕСОВСКИХ СЕТЕЙ

Специальность 05.13 Л 8 - Математическое моделирование, численные методы и

комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ИД №00639 от 05.01.2000. Лицензия ПЛД №40-61 от 31.05.1999. Бумага писчая. Печать офсетная. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Подписано в печать 29.08.2013. Тираж 100 экз. Заказ № 154.

Отпечатано полиграфическим участком ИСЭМ СО РАН 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им. Л.А.МЕЛЕНТЬЕВА

МЕТОДИЧЕСКОЕ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ УГРОЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ С ПОМОЩЬЮ БАЙЕСОВСКИХ СЕТЕЙ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

На правах рукописи

04201361733

Пяткова Елена Владимировна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Массель Л.В.

ИРКУТСК-2013

Оглавление

Список сокращений.................................................................................................4

Введение...................................................................................................................5

Глава 1. Характеристика и направления развития технологии проведения исследований проблем энергетической безопасности......................................15

1.1. Анализ текущего состояния исследований проблем энергетической безопасности.......................................................................................................15

1.1.1. Понятие энергетической безопасности............................................16

1.1.2. Понятия чрезвычайной и критической ситуации. Угрозы энергетической безопасности.........................................................................20

1.1.3. Общая схема исследований проблем энергетической безопасности ...............................................................................................................26

1.2. Описание существующих подходов, технологий и инструментальных средств поддержки исследований энергетической безопасности.................29

1.2.1. Программные средства для исследований направлений развития топливно-энергетического комплекса..........................................................29

1.2.2. Интеллектуальная поддержка процесса анализа угроз энергетической безопасности и обоснования мероприятий по обеспечению ЭБ...............................................................................................36

1.2.3. Направление развития исследований проблем энергетической безопасности с целью оценки вероятностей возникновения чрезвычайных ситуаций...........................................................................................................44

1.3. Выводы по главе и постановка задачи....................................................46

Глава 2. Методика моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей................................................................................49

2.1. Байесовские сети: определение и основные свойства..........................49

2.2. Возможность применения байесовских сетей в исследованиях проблем энергетической безопасности............................................................60

2.3. Авторская методика моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей..................................................67

2.4. Обзор инструментальных средств, поддерживающих работу с байесовскими сетями.........................................................................................69

2.5. Выводы по главе........................................................................................74

Глава 3. Алгоритмическое и программное обеспечение моделирования угроз

энергетической безопасности с помощью байесовских сетей..........................75

3.1. Системно-концептуальные соглашения и спецификация комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1............................................76

3.2. Проектирование и разработка алгоритмического и программного

обеспечения комплекса проблемно-ориентированных программ Вау№1;...82

3.3. Методика усовершенствования численных расчетов и технология проведения комплексных вычислительных экспериментов в исследованиях

проблем энергетической безопасности............................................................93

3.4. Выводы по главе........................................................................................97

Глава 4. Применение разработанных методов, программного обеспечения и технологии проведения комплексных вычислительных экспериментов........99

4.1. Построение моделей угроз энергетической безопасности с использованием методики и комплекса программно-ориентированных программ ВауЫе!................................................................................................99

4.1.1. Старение электрогенерирующего оборудования............................99

4.1.2. Недостаток инвестиций в нефтедобывающую промышленность.....

.............................................................................................................107

4.2. Применение предложенной методики, моделей и технологии проведения ВЭ для исследования работы энергетических отраслей в

условиях ЧС при реализации угроз ЭБ..........................................................123

4.3. Выводы по главе......................................................................................138

Заключение...........................................................................................................139

Литература............................................................................................................142

Приложение 1. Обзор инструментов для работы с БСД.................................155

Приложение 2. Акты о внедрении.....................................................................172

Список сокращений

API - application programming interface (интерфейс программирования приложений)

GUI - graphic user interface (графический интерфейс пользователя)

БСД - байесовская сеть доверия

ВЭ - вычислительный эксперимент

ИМ - информационная модель

ИТ - информационные технологии

КС - критическая ситуация

ПК - программный комплекс

СЭ - системы энергетики

ТЭК - топливно-энергетический комплекс

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы

ЧС - чрезвычайная ситуация

ЭБ - энергетическая безопасность

Введение

Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Во-первых, значимостью исследований и обеспечения энергетической безопасности (ЭБ). Проблема обеспечения энергетической безопасности включает в себя задачи идентификации и анализа угроз энергетической безопасности, а также формирования набора мероприятий по их предупреждению либо ликвидации результатов проявления негативных возмущений в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК). Энергетическая безопасность -атрибут не столько самой энергетики, сколько экономики, общества, государства в целом. Для предотвращения и преодоления угроз разного рода предполагается использование не только производственно-технических и экономических средств, но также и управленческо-правовых. Процесс анализа угроз является весьма сложным в силу взаимосвязанности энергетики практически со всеми сферами деятельцости государства.

Отсюда следует второй аспект, определяющий актуальность данной работы. Все угрозы энергетической безопасности не только связаны между собой, но и тесно взаимосвязаны с угрозами других составляющих национальной безопасности (например, экологической, общеэкономической, внутри- и внешнеполитической). Факторы, обусловливающие угрозы энергетической безопасности, тесно связаны между собой и зачастую не очевидным для исследователя образом. Кроме того, уникальность рассматриваемых негативных явлений вызывает сложности при их моделировании и оценке вероятностей таких явлений и их последствий для энергетики. В этих условиях необходимо применять все возможные взаимодополняющие подходы к измерению риска возникновения неблагоприятных ситуаций. Такие подходы могут базироваться на анализе статистических данных об авариях и чрезвычайных ситуациях, моделировании условий возникновения и развития крупномасштабных возмущений в системах энергетики с тяжелыми последствиями, использовании экспертных оценок, в том числе субъективных вероятностей различных событий и явлений. Все эти предпосылки приводят к необходимо-

сти развития имеющегося и создания нового инструментария интеллектуальной поддержки этих исследований и интеграции новых качественных методов анализа в исследованиях проблем ЭБ с традиционными численными расчетами. Одним из инструментов интеллектуальной поддержки, позволяющих оценивать вероятностные отношения между различными явлениями, является моделирование ситуаций с помощью байесовских сетей (или байесовских сетей доверия, БСД).

Методологические основы исследований проблем энергетической безопасности заложены в работах Ю.Н. Руденко, В.В. Бушуева, Н.И. Воропая, Л.Д. Криворуцкого, А.И. Татаркина, A.A. Куклина, С.М. Клименко, Г.Б. Славина, С.М. Сендерова, М.Б. Чельцова и др.

Традиционно в этих исследованиях используется количественный подход, опирающийся на проведение вычислительных экспериментов (ВЭ) с использованием специализированных программных комплексов. Предварительная же работа по анализу состояния ЭБ и составлению сценариев проведения ВЭ проводится на экспертном уровне без привлечения средств формализации данного процесса. Для решения этой задачи в отделе живучести и безопасности систем энергетики ИСЭМ СО РАН была предложена двухуровневая технология исследования проблем ЭБ. На верхнем (качественном) уровне она интегрирует в рамках интеллектуальной ИТ-среды программные средства онтологического, когнитивного и событийного моделирования. На нижнем (количественном) уровне содержит мультиагентный программный комплекс (ПК) ИНТЭК-М. Предложено объединение вышеупомянутых программных инструментов в рамках интеллектуальной ИТ-среды поддержки исследований проблем ЭБ. Основы этого подхода заложены JI.B. Массель, А.Г. Масселем, Т.Н. Ворожцовой, H.H. Макагоновой, B.J1. Аршинским, Д.А. Фартышевым.

Автором предлагается дополнить разработанную технологию проведения качественного этапа исследований инструментом байесовских сетей для оценки вероятности возникновения угроз и чрезвычайных ситуаций (рисков

в узком смысле), их возможных последствий и оценки мероприятий, направленных на повышение уровня ЭБ. Основы инструмента графических вероятностных моделей (в частности, байесовских сетей) разрабатывались Дж. Перлом, Р. Дж. Кауэллом и др. В соответствии с определением Дж. Перла байесовской сетью является графическая вероятностная модель, отображающая вероятностные зависимости набора переменных и позволяющая проводить вероятностный вывод с помощью этих переменных, т.е. оценку состояния некоторых узлов сети при поступлении в систему свидетельств о состоянии других ее узлов. В России этот аппарат рассматривался В.И. Городецким, А.Л. Тулупьевым и др.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки нового подхода к моделированию угроз энергетической безопасности с целью определения рисков -их возникновения. Для этого автором предлагается проводить моделирование угроз с помощью аппарата байесовских сетей (БСД-моделирование угроз) и комплекса проблемно-ориентированных программ для его поддержки.

Объектом исследования является процесс анализа угроз энергетической безопасности и формирования набора мероприятий по их предупреждению либо ликвидации их последствий.

Предметом исследования являются методы моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.

Целью работы является разработка методов и алгоритмов, реализация их в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей и интеграция разработанного программного обеспечения в интеллектуальную ИТ-среду для исследований проблем энергетической безопасности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ предметной области, существующих технологий и инструментальных средств исследований проблем энергетической безопас-

ности.

2. Обосновать целесообразность применения инструмента байесовских сетей в исследованиях проблем энергетической безопасности.

3. Разработать методику моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.

4. Разработать новую технологию постановки и реализации вычислительных экспериментов в области исследований проблем ЭБ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций (ЧС) на основе модификации существующей двухуровневой технологии исследований проблем ЭБ, для чего необходимо:

- выполнить проектирование и реализацию комплекса проблемно-ориентированных программ для БСД-моделирования угроз энергетической безопасности;

- разработать методику усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанную на интеграции программных средств БСД-моделирования угроз ЭБ в интеллектуальную ИТ-среду.

5. Выполнить комплексное исследование работы энергетических отраслей в условиях чрезвычайных ситуаций, при реализации угроз ЭБ, с применением разработанных методики, технологии и комплекса проблемно-ориентированных программ.

Методами и средствами исследования являются методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики, методы ситуационного анализа, онтологического, когнитивного и событийного моделирования, математический аппарат байесовских сетей доверия, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование).

Новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые предложено использовать байесовские сети доверия для моделирования угроз ЭБ и выполнена формализованная постановка задач оценки:

- вероятности возникновения угроз и чрезвычайных ситуаций в энерге-

тике и их возможных причин,

- масштабов последствий их реализации,

- эффективности мероприятий по 'их предупреждению или ликвидации их последствий.

2. Впервые предложена методика моделирования угроз энергетической безопасности на основе аппарата байесовских сетей с использованием экспертных оценок и статистических данных; выполнено построение БСД-моделей конкретных угроз ЭБ.

3. Разработана новая технология постановки и реализации ВЭ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций, основанная на двухуровневой технологии исследований ЭБ, включающая:

- ранее отсутствовавшее специальное алгоритмическое обеспечение комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей;

- методику усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанную на интеграции программных средств БСД-моделирования угроз в интеллектуальную ИТ-среду, и обеспечивающую задание корректировок информационных моделей в ПК ИНТЭК-М на основе результатов БСД-моделирования.

Практическая значимость заключается в разработке нового комплекса проблемно-ориентированных программ на основе байесовских сетей доверия и его применении для поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности. Это позволяет делать выводы о вероятности наступления чрезвычайных ситуаций, оценивать возможные последствия и определять набор мероприятий по их устранению. Применение предложенных методов, алгоритмов и технологии проведения ВЭ повышает эффективность исследований проблем ЭБ за счет использования интеллектуальных технологий наряду с традиционными количественными подходами.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении

хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении) для решения задач анализа основных существующих и возможных в перспективе до 2030 г. факторов формирования угроз энергетической безопасности.

Результаты диссертационной работы применены при выполнении:

- проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследований проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (20092011);

- проекта СО РАН № 4.3.1.3 «Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений» (2007-2009);

- проекта СО РАН № 1У.31.2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 1У.31.2. «Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (20102012);

- интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН и НАН Республики Беларусь №18 «Методы построения интеллектуальной инструментальной среды для поддержки принятия решений при определении стратегии развития энергетики России и Беларуси с позиций энергетической безопасности» (2012-2013);

- проектов по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (2010-2012), №11-07-00192 (2011-2013), №12-07-00359 (2012-2013).

Результаты диссертационной работы были включены в разработку «Интеллектуальная инструментальная среда для поддержки принятия решений

при обосновании вариантов развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области с учетом требований энергетической безопасности», которая стала лауреатом областного конкурса в сфере науки и техники 2012 года в номинации «За лучшие научно-технические и инновационные разработки м�